18.5: Energía hidroeléctrica

La energía hidroeléctrica (energía hidroeléctrica) se refiere a la energía en el agua en movimiento, que puede ser utilizada para generar electricidad. En última instancia, es impulsado por la energía solar. El agua a altas elevaciones se repone a través de la evaporación (inducida por el calor solar), la condensación y la precipitación. El agua en movimiento gira una turbina (figura\(\PageIndex{a}\)) y ésta mueve imanes dentro de una bobina de alambre, provocando el movimiento de electrones en un generador. El resultado es una corriente eléctrica (electricidad). La combustión de combustibles fósiles o biocombustibles, la energía nuclear, la energía eólica y los sistemas solares térmicos siguen este mismo mecanismo general; la diferencia es lo que hace que la turbina gire.

Figura\(\PageIndex{a}\): Una turbina de agua. El agua en movimiento gira las palas de la turbina. La puerta de entrada controla el flujo de agua. El agua en movimiento hace que los imanes en el rotor giren y muevan electrones dentro de los bucles de alambre en el estator, generando una corriente eléctrica. Imagen del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos (dominio público).

Existen varios tipos de energía hidroeléctrica, pero cada una genera electricidad a través del mismo mecanismo general descrito anteriormente. El uso más conocido de la energía hidroeléctrica involucra a las presas. Las presas bloquean el flujo de los ríos, produciendo un lago artificial (embalse) aguas arriba. Luego se controla la liberación de agua. Parte de esta agua se mueve a través de un canal (penstock), y esta energía cinética (energía del movimiento) es aprovechada en electricidad (figura\(\PageIndex{b}\)). En la hidroelectricidad corriente del río, la turbina se coloca directamente en un río, y el flujo natural de agua a través del río hace girar la turbina. La energía de las mareas y la energía de las olas oceánicas (figura\(\PageIndex{c}\)) también se consideran formas de energía hidroeléctrica. Sin embargo, la energía de las mareas surge de la atracción gravitacional de la luna y del sol más distante en los océanos de la tierra, combinada con la rotación de la tierra. En otras palabras, la mayoría de las formas de energía hidroeléctrica son formas indirectas de energía solar, con la excepción de la energía mareomotriz.

Figura\(\PageIndex{b}\): Una sección de una presa hidroeléctrica. El agua en el depósito pasa a través de la entrada hacia el penstock, que es un canal estrecho. El agua en movimiento gira una turbina. Esto alimenta el generador en la central eléctrica. El agua continúa río abajo. Mientras tanto la electricidad se distribuye a través de líneas eléctricas de larga distancia. Imagen de Tennessee Valley Authority (dominio público).

Figura\(\PageIndex{c}\): Una forma de aprovechar la energía de las olas es con un absorbedor. Los abosorbers extraen energía del ascenso y caída de las olas con una boya. La boya consiste en el flotador, que está por encima del agua y una placa pesada. El largo estrecho conecta los dos. Un cable conecta la placa pesada de cada boya a una subestación submarina, y otro cable va desde la subestación hasta la costa. Imagen y subtítulo (modificado) por OpenEI (dominio público).

Los pequeños proyectos hidroeléctricos ofrecen soluciones de energía para muchas comunidades remotas en todo el mundo, como las de Nepal, India, China y Perú, así como para países altamente industrializados como Estados Unidos. Los pequeños sistemas hidroeléctricos son aquellos que tienen una capacidad entre 0.01 y 30 megavatios (MW) de potencia. Como referencia, un generador de 1 MW que opera durante una hora (produciendo 1 MWh) genera suficiente electricidad para alimentar el hogar promedio en Estados Unidos por poco más de un mes. Los pequeños sistemas hidroeléctricos que generan menos de 0.1 MW se denominan más específicamente sistemas microhidroeléctricos (figura\(\PageIndex{d}\)). La mayoría de los sistemas utilizados por los propietarios de viviendas y pequeñas empresas calificarían como sistemas de microenergía. De hecho, un sistema de 10 kW generalmente puede proporcionar suficiente energía para una casa grande, un pequeño resort o una granja de pasatiempos.

Figura\(\PageIndex{d}\): Un sistema microhidroeléctrico. Aunque hay varias formas de aprovechar el agua en movimiento para producir energía, los sistemas corrientes de río, que no requieren grandes depósitos de almacenamiento, a menudo se utilizan para proyectos de microenergía. Para proyectos hidroeléctricos de corriente, una porción del agua de un río se desvía a un canal, tubería o tubería presurizada (penstock) que la entrega a una rueda hidráulica o turbina. En esta imagen, el agua del río se mueve a través de la toma y luego hacia el canal, forebay, penstock y central eléctrica, que contiene la turbina. El agua en movimiento hace girar la rueda o turbina, que hace girar un eje. El movimiento del eje se puede utilizar para procesos mecánicos, como el bombeo de agua, o puede usarse para producir electricidad. En esta imagen, las líneas eléctricas conectan la central eléctrica a una casa cercana.

Un beneficio del uso de la energía hidroeléctrica es que las presas y embalses pueden usarse adicionalmente para recreación, control de inundaciones y almacenamiento de agua dulce (ver Escasez de agua y soluciones). Si bien nunca nos quedaremos sin agua en movimiento, el potencial de utilizar la energía hidroeléctrica fluctúa en función de la precipitación. Por ejemplo, durante una sequía, los niveles de agua en un embalse disminuyen, y hay menos agua liberada para generar electricidad. Como ocurre con la mayoría de las fuentes de energía renovable, la energía hidroeléctrica no es práctica en todas partes, y es más efectiva en regiones montañosas con altas precipitaciones y deshielo.

Las presas hidroeléctricas y los embalses que crean degrada el hábitat e impactan negativamente a las especies nativas. Por ejemplo, la migración de peces a sus áreas de desove aguas arriba puede ser obstruida por presas. En áreas donde el salmón debe viajar río arriba para desovar, como a lo largo del río Columbia en Washington y Oregón, las presas bloquean su camino (figura\(\PageIndex{e}\)). Este problema se puede aliviar parcialmente mediante el uso de “escaleras de pescado” que ayudan al salmón a moverse por las presas (figura\(\PageIndex{f}\)). Los peces que viajan aguas abajo, sin embargo, pueden morir o lesionarse a medida que el agua se mueve a través de las turbinas Los embalses y la operación de presas también pueden afectar los hábitats acuáticos debido a cambios en la temperatura del agua, la profundidad del agua, la química, las características de flujo y las cargas de sedimentos, todo lo cual puede conducir a cambios significativos en la ecología y las características físicas del río, tanto aguas arriba como aguas abajo. Cuando los embalses se llenan primero de agua, inundan hábitats terrestres (terrestres), granjas, ciudades y sitios arqueológicos y culturales, obligando a veces a las poblaciones a reubicarse. La vegetación terrestre se descompone lentamente en condiciones pobres en oxígeno, liberando metano a la atmósfera, un potente gas de efecto invernadero. En este sentido, la energía hidroeléctrica genera pocos contaminantes del aire durante la operación, pero la construcción sí contribuye al cambio climático.

Figura\(\PageIndex{e}\): La presa Grand Coulee en el río Columbia en el estado de Washington creó el lago Roosevelt, que brinda recreación al aire libre como la pesca y la natación. Sin embargo, comprometió a las poblaciones de salmón e inundó sitios sagrados para la gente de la tribu Spokane. Imagen de la Oficina de Reclamación de Estados Unidos (dominio público).

Figura\(\PageIndex{f}\): Izquierda: La escalera de peces en John Day Lock and Dam a lo largo del río Columbia en Oregón permite que los peces adultos migren río arriba de la presa por su cuenta. Derecha: Diagrama de una escalera para peces, que permite el paso del salmón sobre una presa. Los salmones nadan río arriba para desovar (reproducirse) y son capaces de nadar por los escalones de la escalera. El flujo de la escalera atrae el salmón migratorio. En la piscina giratoria, rotan y luego avanzan por el siguiente tramo de la escalera hasta que están sobre la presa. Imagen izquierda y subtítulo (modificado) del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos, e imagen derecha por NOAA Fisheries (dominio público).

Si bien los proyectos hidroeléctricos de presas a gran escala a menudo son criticados por sus impactos en el hábitat de la vida silvestre, la migración de peces y el flujo y la calidad del agua, los pequeños proyectos de ejecución del río están libres de muchos de estos problemas ambientales. Debido a que utilizan el flujo natural del río, apenas alteran el canal y el flujo del arroyo. Por lo tanto, efectos como agotamiento de oxígeno, aumento de la temperatura, disminución del flujo e impedida migración aguas arriba no son problemas para muchos proyectos corrientes del río.

Atribución

Modificado por Melissa Ha de Energía Renovable y Desafíos e Impactos del Uso de Energía de la Biología Ambiental por Matthew R. Fisher (licenciado bajo CC-BY)